固氮菌固定的氮是从无机氮转化为有机氮的过程，经过反应合成在了生物有机体内，即无机氮同化成植物体内的蛋白质等有机氮。

生物固氮是固氮微生物特有的一种生理功能，这种功能是在固氮酶的催化作用下进行的。

固氮酶是一种能够将分子氮还原成氨的酶。

固氮酶是由两种蛋白质组成的：一种含有铁，叫做铁蛋白，另一种含有铁和钼，叫做钼铁蛋白。

只有铁蛋白和钼铁蛋白同时存在，固氮酶才具有固氮的作用。

生物固氮过程可以用下面的反应式概括表示。

N2 ＋ 6H+ ＋ nMg-ATP ＋6e-2NH3＋nMg-ADP＋nPi 分析上面的反应式可以看出，分子氮的还原过程是在固氮酶的催化作用下进行的。

有三点需要说明：第一，ATP一定要与镁（Mg）结合，形成Mg-ATP复合物后才能起作用；第二，固氮酶具有底物多样性的特点，除了能够催化N2还原成NH3以外，还能催化乙炔还原成乙烯（固氮酶催化乙炔还原成乙烯的化学反应，常被科学家用来测定固氮酶的活性）等；第三，生物固氮过程中实际上还需要黄素氧还蛋白或铁氧还蛋白参与，这两种物质作为电子载体能够起到传递电子的作用。

铁蛋白与Mg-ATP结合以后，被黄素氧还蛋白或铁氧还蛋白还原，并与钼铁蛋白暂时结合以传递电子。

铁蛋白每传递一个e-给钼铁蛋白， 同时伴随有两个Mg-ATP的水解。

在这一催化反应中，铁蛋白反复氧化和还原，只有这样，e-和H+才能依次通过铁蛋白和钼铁蛋白，最终传递给N2和乙炔，使它们分别还原成NH3和乙烯。

植物吸收土壤中的铵盐和硝酸盐，进而将这些无机氮同化成植物体内的蛋白质等有机氮。

动物直接或间接以植物为食物，将植物体内的有机氮同化成动物体内的有机氮。

这一过程叫做生物体内有机氮的合成。

动植物的遗体、排出物和残落物中的有机氮被微生物分解后形成氨，这一过程叫做氨化作用。

在有氧的条件下，土壤中的氨或铵盐在硝化细菌的作用下最终氧化成硝酸盐，这一过程叫做硝化作用。

氨化作用和硝化作用产生的无机氮，都能被植物吸收利用。

在氧气不足的条件下，土壤中的硝酸盐被反硝化细菌等多种微生物还原成亚硝酸盐，并且进一步还原成分子态氮，分子态氮则返回到大气中，这一过程叫做反硝化作用。